CN203551183U - 一种强度补偿的反射式光纤束差压传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种强度补偿的反射式光纤束差压传感器，它通过检测流体产生的压力去冲击一块弹性膜片（113）的其中一面，同时用窄谱激光照弹性膜片（113）的另一面，使弹性膜片（113）发生变形，当弹性膜片（113）发生变形后，接收光纤（41）的输出光强度就会随之发生变化，通过检测出接收光纤（42）输出光强的变化量来判断检测流体对弹性膜片（113）造成的压力变化量。由于采用这样的方法，这种传感器传感准确度较高，性能可靠，且结构简单，体积质量均较小，制造成本也较低。

Description

一种强度补偿的反射式光纤束差压传感器

技术领域

本实用新型涉及强度补偿的反射式光纤束差压传感器，属于传感器技术领域。 

背景技术

差压传感器DPS（Differential Pressure Sensor）是一种用来测量两个压力之间差值的传感器，通常用于测量某一设备或部件前后两端的压差。近年来，差压传感器在微流量测量、泄露测试、洁净间监测、环境密封性检测、气体流量测量、液位高低测量等许多高精度测量场合都有着广泛的应用。 

现今国内外对差压传感器的研究主要集中于传统的压阻式差压传感器与电容式差压传感器。压阻式差压传感器结构简单，工作端面平整，但其灵敏度与频率响应之间存在着比较突出的矛盾，且温度对此种传感器的性能影响也比较大。电容式传感器灵敏度高，动态响应特性好，抗过载能力强，但它存在寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响，以及与传感器连接的电路比较复杂等缺点，影响到它的应用可靠性，因此限制了它的广泛应用。正是由于传统差压传感器的诸多不足，国内外开始对一些新型的差压传感器进行了研究，董国强等对利用磁性液体的一种微差压传感器进行了研究，依靠磁性液体在压力作用下的位移过程产生电信号，来实现对压力的检测，其在应用中具有局限性；台湾的Hao-Jan Sheng等、美国的Jose.L.A.V等人各自提出了一种基于布拉格光栅的光纤差压传感器结构，这种光纤光栅差压传感器的灵敏度较高，但结构复杂且成本很高，不利于推广。而强度调制作为光纤传感器技术中用得最广泛的一种调制方法，得到了一些学者的研究 ，但对基于强度调制的光纤差压传感器的研究文献很少，日本的Seiichiro Kinugasa提出了一种反射式光纤差压传感器的构思，利用反射面与光纤距离的变化来检测外部压力差的情况；佟成国等设计了一种双C型弹簧管的光纤差压传感器，依据强度调制原理在两个双C型弹簧管内对压差进行检测。 

但现有技术依然没有解决传感器的实现、探头结构参数的合理性、反射面的工作状态、误差的补偿等许多关键因素带来的问题，因此现有技术中该类传感器结构十分复杂，且性能不够可靠，加工制造成本也很高，而且通常体积大，十分沉重，使用起来不方便，还存在很大的改进空间。这是现有技术存在的第一个技术问题。 

另外，传感器探头在工作中要稳定可靠，不易受到外界碰撞、振动等因素的干扰，同时为了保护探头内的敏感元件、避免由于探头本身结构的差异带来的误差，必须对探头进行封装，而传感器探头的封装，这是现有技术存在的第二个技术问题。 

对于强度调制原理的反射式光纤差压传感器而言，不同探头的输出光强度势必会受到背景光、光纤长度、光纤弯曲度、耦合器件等影响，从而使检测结果存在较大误差，这是现有技术存在的第三个技术问题。 

发明内容

为解决现有技术存在的三个问题，必须从传感器探头结构、传感器封装以及探头输出光的光强度补偿着手。为此，可以从以下三个方面来实现这样的目的。 

为解决传感器结构复杂、性能不够可靠、以及加工成本高和体积质量大等问题，拟采用这样的一种强度补偿的反射式光纤束差压传感器，这种传感方法的要点在于，它通过用于衡量被测物产生压力的检测流体（如液压油）来进行传感，使这种检测流体产生的压力去冲击一块弹性膜片的其中一面，使弹性膜片发生变形；弹性膜片的另一面用入射光纤中的窄谱激光照射，并用接收光纤来接收反射光；这样，当弹性膜片发生变形后，由于反射角度发生变化，反射光随之发生变化，导致接收光纤的输出光强度就会随之发生变化，这样通过检测出接收光纤输出光强的变化量来判断检测流体对弹性膜片造成的压力变化量。这样，就可以通过便于测量的光强变化，来判断不易测量的压力变化，从而确定不同的被测物的压力差值，实现差压传感的目的。 

作为一种优选方式，检测流体通过流入一个检测腔的方式对弹性膜片产生压力，弹性膜片设置在检测腔中并在检测腔中检测流体流入的方向形成封闭的屏障。检测腔是封闭的，但在面向被测物的方向设有一个开口，当检测流体从检测腔的开口涌入检测腔，就会对检测腔中的弹性膜片产生液体压力，从而造成弹性膜片的变形。当腔内的介质环境改变时，弹性膜片会由于受到压力而产生变形，最好是检测腔内的介质是处于一种均匀分布的情况，因此其对整个薄膜的表面就会产生一个均匀分布的载荷。采用这样一个检测腔，可以使检测流体产生的液体压力均匀而准确地使弹性膜片产生变形，提高检测传感的精度。 

为了避免弹性膜片在受到检测流体产生的压力时边缘发生位移，可以采用一个传感器探头壳体将所述弹性膜片紧固在其上，传感器探头壳体可以与检测腔采用整体式结构，弹性膜片固定设置在传感器探头壳体与检测腔之间。由于弹性膜片被牢固固定，不管检测流体对其造成的液体压力多大，都只会使其面上发生弹性变形，而不会使其边缘发生位移，这样防止因薄片被流体冲击而破换传感器。另外，入射光通过传感器探头壳体内的固定孔向弹性膜片照射。固定孔与弹性膜片的表面呈垂直状态，可以确保当入射光纤、接收光纤或二者形成的光纤束的入射光照射角度或反射角度不会随意偏移。 

为了使传感器具有较好的静态性能，那么弹性膜片在受压变形时产生的绕度就会很小，考虑到传感器结构弹性膜片的具体工作状况，综合各种材料的性能，优选35CrMnSi材料进行薄片的制备。该材料又称低合金超高强度钢，热处理后具有良好的综合力学性能，高强度，足够的韧性，淬透性、焊接性(焊前预热)、加工成形性均较好，但其耐蚀性和抗氧化性能较一般，使用温度通常不高于200℃，一般是低温回火或等温淬火后使用。 

基于前述的这种传感方法，可以采用这样一种强度补偿的反射式光纤束差压传感器，它包括两个结构相同的压力检测探头以及用于向该压力检测探头中传输光源的入射光纤和用于接收压力检测探头的发射光的接收光纤，而入射光纤和接收光纤在固定孔中会集形成光纤束。该压力检测探头内部固定设有一块弹性膜片，在该压力检测探头中位于弹性膜片的两面分别设有一个检测腔和可供光纤束插入探头中的固定孔。检测腔用于检测流体流入其内并对弹性膜片产生液体压力。检测腔设有至少一个可供检测流体流入其中的检测流体入口。最好是这样的：传感器设有两个光源，假定为S1、S2，两个检测探头一、探头二，两个光电探测器D1、D2，四个一分二的光纤耦合器，及入射光纤与反射光纤集合成束的光纤束结构组成。传感器光源选用半导体激光器，该激光器具有很窄的输出光谱线宽和出色的边模抑制比，其输出峰值波长为1310nm。光电探测器选用PIN光电二极管，该光电二极管工作波长范围为1100nm～1650nm，暗电流最大为1nA，光响应度最小为0.85A/W，响应时间0.1ns。这样使得光源与光电探测器两元件的光谱特性匹配较好。 

光源发出的光耦合到入射光纤内，通过入射光纤传输到光纤出射端面，出射光照射到反射弹片（弹性膜片）上，经反射弹片反射后的部分光进入到接收光纤内，由接收光纤传输到光电探测器处，进行光电转换。进入到接收光纤内的反射光强度大小，由反射弹片与接收光纤端面之间的距离决定，当外力作用下，反射弹片与接收光纤的距离变小，从而使进入到接收光纤的反射光强度发生变化，通过输出光强度的变化量即可确定反射面的形变大小，从而确定出外界压力P的大小。 

当然，这种传感器的压力检测探头还包括一个探头壳体，前面提到的固定孔、弹性膜片和检测腔均位于该探头壳体之内。检测腔与探头壳体最好是加工成为整体结构。探头壳体的材料选择金属材料，加工中为了方便，优选采用金属铝棒材。 

为解决传感器探头的封装问题，使探头稳固、便于加工实现、便于装配、便于维修更换，拟采用这样一种封装方法及结构： 

本实用新型的差压传感器是两个探头同时工作的自由式结构，探头部分能够自由活动，可以自由选择需要检测的位置进行检测；检测中，探头可直接固定于检测位置，而不用进行引流，从而避免了引流管引流过程发生的冻结、堵塞和迟滞；同时还能根据检测需要，设计出几何尺寸与检测范围不同的探头，用以满足一些特殊需求等，要求两个探头要尽可能的对称相同。对于单个探头而言，封装中要满足如下要求：光纤束很好的对准弹性膜片的中心、光纤束与弹性膜片的距离可调、光纤束能很好的固定，这也是这种探头封装的难点所在。

所以本实用新型采用了机械式封装方式，这种方式可以保证加工精度，以及装配精度，使得加工出来的各探头的结构相同，从而利于实现标准化、系列化、通用化，还能很好的避免结构误差带来的检测误差。 

为了实现上述要求，本传感器封装的特点为：采用螺纹套对固定孔中的光纤束进行固定，使光纤束不能移动，避免光纤束抖动带来的误差。具体做法是：用一个圆柱体的外螺纹端盖在探头壳体形成的内螺纹固定孔中从外向弹性膜片方向螺纹旋进，端盖中心处有一螺纹孔，再用一个螺纹套将光纤束包覆住，螺纹套的外螺纹与端盖中心处的螺纹孔的内螺纹相配，使螺纹套能够在端盖中旋入或旋出。因此，螺纹套与端盖的螺纹联接形式，实现螺纹套能在端盖中自由的旋进（优选螺纹螺距为0.2mm，螺纹套外壁标注旋进长度刻度，最小刻度为0.1mm），从而实现光纤束与弹性膜片的距离可调；（因为光纤束与弹性膜片的初始距离直接决定了传感器的检测灵敏度与线性度这两个关键的静态特性，调定好合理的光纤束与弹性膜片的初始距离，提高检测性能。同时不同的光纤束端面结构对应的最优初始距离不同，所以要求光纤束与弹性膜片的距离可调。）端盖的螺纹孔、螺纹套以及探头的固定孔的孔轴保持同轴，这样采用这种圆柱体的封装结构，加工时保证好各零件的同轴度，即可保证光纤束很好的对准弹性膜片的中心，结构简单适用。弹性膜片能很好的固定，且容易装配与更换。 

在弹性膜片的另一面，采用一个挡圈将弹性膜片卡住，弹性膜片通过这种端盖的螺纹旋进与挡圈挤压固定方法，能达到很好的固定作用，不易松动。同时，如弹性膜片需要更换，旋出端盖即可实现，简单适用。同时，在探头的检测腔的检测流体入口周围还设置垫圈，在检测流体入口处设置过滤网，对进入检测腔的流体进行过滤。 

检测腔的稳定性和介质均匀性是保证传感精度的一个重要的要求，因此必须使检测腔能减少流体的扰动。于是采用这样的结构：在检测腔中填充一个杯状玻璃体，玻璃体卡在挡圈与传感器壳体之间，使检测腔为杯状空腔结构，这样可以减小检测腔的容积，从而使滞留的流体很少。同时减小检测腔内压力的不均匀，使作用在弹性膜片上的压力更容易变得均匀。选择玻璃体是因为其容易成型、硬度高、耐流体的长期腐蚀等。 

为了防止检测流体泄露，还可以在弹性膜片与挡圈之间加装一个密封圈。弹性膜片通过端盖进行压紧固定，端盖与壳体采用紧配合件结构，光纤束固定在螺纹套内，加工时较好的保证传感器壳体、端盖、螺纹套的圆度与同轴度，从而能保证光纤束与弹性膜片的中心对准问题，避免检测中某个探头因光纤束与弹性膜片的位置偏差而引起的误差。螺纹套与端盖采用螺纹联接，并在螺纹套表面刻有刻度，从而可以通过螺纹配合的旋进来调整光纤束与弹性膜片的距离。通过机械封装还能使光纤束与弹性膜片之间形成暗腔，从而避免背景光带来的噪声。 

光纤束差压传感器检测探头采用的是强度调制原理，通过对光的强度大小变化进行监测来判断被测物理量的变化，这样光源、光纤、光纤器件及光探测器等引起的光强变化就会对检测结果造成误差。为了避免或降低这种检测误差，就应考虑对此类强度调制型光纤传感器进行强度补偿，从而提高传感器的检测稳定性与可靠性。 

本实用新型的这种传感器采用的光强度补偿方法为：首先传感器采用两个光源交替发光，其中一个光源发光时，光波首先耦合进入到一根入射光纤，再经一分二的Y型耦合器，分为功率相等的两路光波，一路经参考光路直接到达一个光电探测器，经此探测器转换为电压信号输出，此电压信号的大小即反映了光源输出功率一半的大小；另一路经检测光路到达检测探头一，经弹性膜片反射后，又经接收光纤到达另一个光电探测器，经此探测器转换为电压信号输出，此电压信号的大小即反映了光源输出功率的另一半，经反射后接收到的光功率大小；再在后期计算这两个输出电压的比值，这一比值大小就与光源的功率变化无关，通过这个比值来反映检测探头一所受压力的大小，就能消除光源波动产生的误差。 

另外一个光源发光时，与上述过程同理，通过比值来反映另一个检测探头二处压力的大小。 

再通过计算检测探头一、检测探头二输出的比值之差，或者比值之比。最终反映出两探头之间的压力差值。而通过求比值之差能实现对光源波动的强度补偿；通过求比值之比可以实现对光源波动、光电探测器以及光纤损耗的强度补偿（但这种方法的压力差检测范围小）。 

光路采用光桥式的布局形式，使两光源的参考光路经Y型耦合器到达同一个光电探测器，两检测探头的反射光接收光路经Y型耦合器到达另一个光电探测器，从而简化了传感器的整体光路结构，使光路光纤布局简单，同时减少探测器个数，使后期的数据处理模块也得到了简化。最终实现经济性与可靠性的设计。 

附图说明

图1是差压传感器探头结构示意图； 

图2（a）、图2（b）是差压传感方法原理图；

图3是差压传感器探头封装结构示意图；

图4是差压传感方法的光纤束光路图；

图5是光纤束结构示意图；

图6是光桥平衡强度补偿示意图；

图7是光强度计算时入射光纤坐标图；

图8是图7中的EF截面示意图；

图9（a）、图9（b）、图9（c）是接收光纤端面与反射光锥位置关系；

图10是图7中参数d变化时的P—M曲线；

图11是图7中参数r变化时的P—M曲线；

图12是图7中参数l变化时的P—M曲线；

图13是实验（1）的数据曲线；

图14是实验（2）的数据曲线；

图15是实验（1）和（2）中两传感探头在不同的压力作用下，形成不同的差压ΔP时，输出的R值变化情况。

附图标记说明：11-探头一，111-检测腔，112-探头壳体，113-弹性膜片，12-探头二，21-光电探测器一，22-光电探测器二，31-被测物一，32-被测物二，4-光纤束，41-接收光纤，42-入射光纤，51-光源一，52-光源二，61-耦合器一，62-耦合器二，63-耦合器三，64-耦合器四，71-信号处理器一，72-信号处理器二，81-端盖，82-螺纹套，83-密封圈，84-过滤网，85-挡圈，86-垫圈，87-玻璃体。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。 

先看图1，图1展示了本实用新型的差压传感器探头的结构原理，从图中可以看到，差压传感器有两个探头，即探头一11和探头二12，两个探头的结构完全相同，在探头壳体112中居于探头中部附近位置设有一块弹性膜片113，该弹性膜片113将探头壳体112内部分隔成为两个部分，一边是一个检测腔111，另一边是一个固定孔。检测腔111可供检测流体流入，而固定孔可供光纤束4插入。光纤束4由1条入射光纤42和10条接收光纤41经加工集合成束（结合图5可以看到光纤束4的结构）。 

看图2（a）、图2（b），图2（a）、图2（b）展示了本实用新型的探头传感原理，并结合图1所示的探头结构，光源发出的光耦合到入射光纤内，通过入射光纤传输到光纤出射端面，出射光照射到反射弹片（即图1中的弹性膜片113）上，经反射弹片反射后的部分光进入到接收光纤内，由接收光纤传输到光电探测器处，进行光电转换。进入到接收光纤内的反射光强度大小，由反射弹片与接收光纤端面之间的距离决定，当外力作用下，反射弹片与接收光纤的距离变小，从而使进入到接收光纤的反射光强度发生变化，通过输出光强度的变化量即可确定反射面的形变大小，从而确定出外界压力P的大小。 

看图3，图3展示了探头的封装结构，采用这样的封装结构后，检测流体从引入口流入，经过过滤网84后进入检测腔111（结合图1），为了减少流体的扰动，检测腔111内安装了具有杯状空腔的玻璃体87，玻璃体87通过探头壳体112与挡圈85进行固定。为了防止泄露，弹性膜片113与挡圈85之间加装了密封圈83。弹性膜片113通过端盖81进行压紧固定，端盖81与探头壳体112采用螺纹联接形式，光纤束4固定在螺纹套82内，加工时较好的保证传感器探头壳体112、端盖81、螺纹套82的圆度与同轴度，从而能保证光纤束4与弹性膜片113的中心对准问题，避免检测中某个探头因光纤束4与弹性膜片113的位置偏差而引起的误差。螺纹套82与端盖81采用螺纹联接，并在螺纹套82表面刻有刻度，从而可以通过螺纹配合的旋进来调整光纤束4与弹性膜片113的距离。通过机械封装还能光纤束4与弹性膜片113之间形成暗腔，从而避免背景光带来的噪声。 

看图4，图4展示了本实用新型的这种差压传感方法的光强度补偿示意图，从图中可以看到，传感器采用两个光源交替发光（由继电器控制），即光源一51和光源二52交替发光，当光源一51发光时：光源一51发出的光经耦合器一61分为两路，一路进入探头一11，经反射后经耦合器二62到达光电探测器一21，另一路直接到达光电探测器二22。到达光电探测器二22的光路为参考光路，反映了光源一51输出光功率的大小，到达光电探测器一21的光路为检测光路，反映了经过探头一11反射回接收光纤41（此时接收光纤41与入射光纤42集合成光纤束4，结合图1）的光功率大小（该功率的大小与外界被测压力相关）。再通过求此时两探测器输出电压信号的比值，实现对光源功率波动等造成的误差进行补偿。最终得到的比值就体现了探头一在外界压力P1作用下，传感器的输出值。 

当光源二52发光时：光源二52发出的光经耦合器三63分为两路，一路进入探头二12，经反射后经耦合器四64到达光电探测器一21，另一路直接到达光电探测器二22。其原理与上述光源一51发光时同理。光电探测器一21和光电探测器二22中的信号分别通过信号处理器71和信号处理器72进行处理，最终得到的比值就体现了探头二12在外界压力P2作用下，传感器的输出值。 

外界压力P1与P2之间的压力差值△P，通过探头一11输出值与探头二12输出值的比值或者差值来表示。 

看图6，图6展示了本实用新型的差压传感方法的原理及光强度补偿示意图，两光源在时间继电器的控制下，轮流交替发光（即光源S1发光时光源S2不发光），图6中两光源S1、S2轮流等时发光，t1表示S1发光时间，t2表示S2发光时间，M1、M2为两个差压探头，D1、D2为光电探测器。t1时间内，光源S1发出的光经Y型耦合器分为两路，一路进入探头M1，经反射后到达光电探测器D1，另一路直接到达光电探测器D2；t2时间内，光源S2发出的光经Y型耦合器分为两路，一路进入探头M2，经反射后到达光电探测器D1，另一路直接到达光电探测器D2。后期对光电探测器D1、D2输出的电信号进行放大、滤波、A/D转换，再对t1时间两探测器输出信号相除，对t2时间两探测器输出信号相除并延时，再对t1、t2时间两除法信号相除，即可完成信号处理。传感器光源选用半导体激光器LD，该激光器具有很窄的输出光谱线宽和出色的边模抑制比，其输出峰值波长为1310nm。光电探测器选用PIN光电二极管，该光电二极管工作波长范围为1100nm～1650nm，暗电流最大为1nA，光响应度最小为0.85A/W，响应时间0.1ns。调定传感器探头中光纤束与膜片的初始距离为0.5mm，膜片材料为不锈钢表面镀铝镜，光纤束为多股入射光纤与单股出射光纤加工成束。 

探头处的光纤束截面图如图5所示，中间的为入射光纤TF，周围的为接收光纤RF。增多接收光纤的根数是为了接收到更多的反射光。这种光纤束结构为同轴型光纤束，这种光纤束比较常用，其检测灵敏度较高，较容易加工实现，且有利于后期的分析计算。 

下面通过对弹性膜片形变的数学分析来进一步解释本实用新型的技术原理： 

2、强度调制模型： 

由于受到结构和光强度调制特性有效区域等的限制，弹性膜片的变形量相对较小，那么为了便于分析，把其反射区域在y=d（光纤与薄膜间的距离为d）平面上的截面（后称反射光锥截面）可以近似处理成一个圆形面（在主视图中，可以看见其直径为EF），以下利用其主视图对入射光纤与接收光纤对称分布的情况进行二维的量化分析研究。

从图10不难看出，d值越小，即弹性膜片与光纤靠得越近，那么其初始输出光强比率就越大，而d值越大，其初始输出光强比率就越小；同时在某一确定的d值下，随着压力P的增大，弹性膜片与光纤的距离会变小，从而使得输出光强比率先增大再减小，这与实际情况是相吻合的。图中的前坡曲线较宽，可获得较大的检测范围；而后坡曲线较窄，可获得较好的线性度与检测灵敏度； 

从图11看出，随着纤芯半径r的变化，前坡曲线宽度变化不明显；但随着纤芯半径r值的增大，曲线的峰值有所增加；

从图12看出，随着间距l值的变化，前坡曲线宽度变化不大，即对压力P的检测范围影响不大；随着间距l值的增大，曲线的峰值会下降。

4、实验数据： 

当传感器探头1、2固定后，分别完成如下过程实验：（1）传感器探头2的作用压力为0，改变传感器探头1的作用压力，使两检测位置实现0KPa、20 KPa、40 KPa、60 KPa、80 KPa、100 KPa、120 KPa的正压差；（2）传感器探头1的作用压力为0，改变传感器探头2的作用压力，使两检测位置实现-120 KPa、-100 KPa、-80 KPa、-40 KPa、-20 KPa的负压差。

得到如下实验结果（如表1和表2所示）： 

同时得到的实验数据曲线如图13、图14所示：

图15为实验（1）和（2）中两传感探头在不同的压力作用下，形成不同的差压△P时，输出的R值变化情况，图中不难看出负压（这里为探头二压力大于探头1压力）与正压（这里为探头一压力大于探头二压力）的前端曲线线性度较好，那么后续再对强度补偿R值进行平移，及线性化标定即可使输出值与各压差值较好对应，从而实现对外界压差的检测。

当然，以上只是本实用新型的具体应用范例，本实用新型还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型所要求的保护范围之内。 

Claims (3)

1.一种强度补偿的反射式光纤束差压传感器，其特征在于：它包括两个结构相同的压力检测探头一（11）和探头二（12）以及用于向这两个探头中传输光源的入射光纤（42）和用于接收压力检测探头的发射光的接收光纤（41），入射光纤（42）和接收光纤（41）集合成光纤束（4）；这两个探头的探头壳体（112）内部固定设有一块弹性膜片（113），在探头中位于弹性膜片（113）的两面分别设有一个检测腔（111）和可供光纤束（4）插入探头中的的固定孔。

2.根据权利要求1所述的强度补偿的反射式光纤束差压传感器，其特征在于：所述检测腔（111）与探头壳体（112）加工成为整体结构。

3.根据权利要求1所述的强度补偿的反射式光纤束差压传感器，其特征在于：所述检测器（111）设有至少一个可供检测流体流入其中的检测流体入口。

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